Infill-Dichte bestimmt Festigkeit von PLA-Bauteilen

Das Wichtigste in Kürze

Untersuchung des Einflusses von 3D-Druckparametern auf die mechanischen Eigenschaften von PLA-Bauteilen.
Verwendet wurde das MEX-Verfahren (Material Extrusion), auch bekannt als FDM/FFF.
Die Taguchi-Methode diente zur Optimierung und Analyse der Parameter.
Infill-Dichte hatte den größten Einfluss auf Zug-, Druck- und Schlagzähigkeit.
Weitere wichtige Parameter: Wandstärke, Schichthöhe, Druckgeschwindigkeit und Rasterwinkel.
Mechanische Tests nach ASTM-Standards durchgeführt.

Hintergrund: Warum diese Studie wichtig ist

3D-Druck mit PLA (Polylactid) ist weit verbreitet, besonders im Bereich des Fused Filament Fabrication (FFF) bzw. Material Extrusion (MEX). Doch wie wirken sich Druckparameter konkret auf die mechanischen Eigenschaften der Bauteile aus? Genau das haben Forscher in einer aktuellen Studie untersucht. Ziel war es, optimale Einstellungen für Bauteile mit hoher Belastung zu finden.

Vorgehen: Taguchi-Methode für systematische Analyse

Die Taguchi-Methode ist ein statistisches Verfahren zur Optimierung von Prozessen. In sechs Schritten wurden verschiedene Parameter auf mehreren Ebenen getestet. Die Forscher wählten fünf zentrale Druckparameter:

Infill-Dichte (Fülldichte)
Schichthöhe (Layer Thickness)
Druckgeschwindigkeit (Printing Speed)
Rasterwinkel (Raster Angle)
Wandstärke (Wall Thickness)

Anschließend führten sie mechanische Tests nach anerkannten ASTM-Normen durch – darunter Zug-, Druck-, Biege- und Schlagprüfungen sowie Härte- und Oberflächenrauheitsmessungen.

Ergebnisse: Infill-Dichte als Schlüsselfaktor

Die Infill-Dichte hatte den höchsten Einfluss auf:

Zugfestigkeit (55,21 % Beitrag)
Druckfestigkeit (80,86 % Beitrag)
Schlagzähigkeit (63,61 % Beitrag)

Je höher die Infill-Dichte, desto besser die Verbindung der Filamente untereinander. Das führt zu höherer Festigkeit und besserer Energieaufnahme.

Weitere Erkenntnisse zu den Parametern

Wandstärke: Spielt eine wichtige Rolle bei Druck- und Biegetests. Sie beeinflusst die äußeren, massiven Bereiche des Bauteils direkt.

Schichthöhe: Hat Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, steht aber in Wechselwirkung mit der Druckzeit. Dünnere Schichten führen zu längeren Druckzeiten, können aber die Festigkeit verbessern.

Rasterwinkel: Zeigte deutliche Effekte bei Zug- und Oberflächentests. Ein optimaler Winkel kann die Lastverteilung verbessern.

Druckgeschwindigkeit: Hatte im Vergleich den geringsten Einfluss. Ihre Wirkung auf die Festigkeit war in allen Tests untergeordnet.

Mechanische Tests im Detail

Die Bauteile wurden nach folgenden Normen getestet:

Zugtest: ASTM D638
Drucktest: ASTM D695
Biegetest: ASTM D790
Schlagtest: ASTM D6110 (Charpy)
Härteprüfung: ASTM D2240

Die Testergebnisse bestätigten, dass die Kombination aus hoher Infill-Dichte, großer Wandstärke und optimaler Schichthöhe zu den besten mechanischen Eigenschaften führt.

Optimale Kombinationen für verschiedene Tests

Die Studie ermittelte für jede mechanische Eigenschaft die besten Parameterkombinationen. So wurde beispielsweise die höchste Zugfestigkeit bei folgenden Einstellungen erreicht:

Infill-Dichte: Level 4
Schichthöhe: Level 4
Rasterwinkel: Level 4
Wandstärke: Level 3 oder 4
Druckgeschwindigkeit: Level 3

Für die höchste Schlagzähigkeit war die Infill-Dichte erneut der entscheidende Faktor. Mit zunehmender Dichte verbesserten sich die Energieaufnahme und die Strukturfestigkeit deutlich.

Ausblick: Potenzial für weitere Forschung

Die Studie liefert wichtige Grundlagen für die Optimierung von 3D-Druckprozessen mit PLA. Künftige Untersuchungen könnten die Ergebnisse weiter vertiefen, etwa durch mikroskopische Analysen der Bruchflächen oder durch Reduktion der Parametervielfalt zur Erhöhung der Aussagekraft einzelner Einflussgrößen.

Unsere Einschätzung

Für dich als Anwender im Bereich FDM/FFF liefert diese Studie klare Erkenntnisse: Willst du mechanisch belastbare PLA-Teile herstellen, ist die Infill-Dichte der wichtigste Parameter. Wandstärke und Schichthöhe folgen mit deutlichem Abstand. Druckgeschwindigkeit kannst du dagegen eher nach Zeit- und Ressourcenaspekten wählen. Die Taguchi-basierte Analyse bietet ein solides Fundament für die praxisnahe Optimierung deiner Druckeinstellungen.